Grundlagen der Spieleprogrammierung

Transkript

1 Grundlagen der Spieleprogrammierung Teil I: 3D-Graphik Kapitel 9: Engines, Cg und anderes Peter Sturm Universität Trier Outline 1. Übersicht und Motivation 2. Mathematische Grundlagen 3. Das Ideal: Photorealistisch (Raytracing, Radiosity) 4. Die Realität: DirectX und OpenGL (Übersicht) 5. Schritt 1: Modellierung und Drahtgitter 6. Schritt 2: Texturen 7. Schritt 4: Licht, Filter, etc. 8. Schritt 5: Fortgeschrittene Techniken (Vertex-, Pixel-Shader, ) 9. 3D-Hardware 10.3D-Engines im Überblick, Cg von nvidia 11. Spielekonsolen 12.Zusammenfassung und Ausblick (c) Peter Sturm, Universität Trier 1

2 Schlüsselkonzept: Rendering Pipeline Leistungsverteilung auf Hardware und Software CPU (Anwendung) übernimmt Modellierung etc. GPU (Hardware) übernimmt Darstellung und Finish Schnittstelle CPU-GPU: Dreiecke DirectX und OpenGL kapseln Hardware-Anteil Fortschreitende Standardisierung Kompensation fehlender HW-Unterstützung Motivation CPU GPU Spiel M odellierung Tessellation Z-Buffer Shader... Darstellung Software-Architekturen Unterstützung oberhalb DirectX und OpenGL Keine Sprachbasierte Ansätze Engines Spezielle Sprachen Cg von nvidia Engines Viele Implementierungen Sprachansatz integrierbar Komplexe Architekturen Spiel? DirectX / OpenGL Hardware (c) Peter Sturm, Universität Trier 2

3 Open Source C for graphics: High-Level Shading Language Ersetzt Assembler für Vertex- und Pixel-Shader entstand in Zusammenarbeit mit Microsoft unterstützt DirectX 9 HLSL Vorteile Cross-API (DirectX und OpenGL) Cross-Plattform (Windows, Linux, Mac OS) Funktionsweise Entwicklung der gewünschten Shader Digital Content Creation (DCC) z.b. mittels Maya, 3ds max etc. Spezielle Editoren Spieleprogrammierung Übersetzung durch Cg-Compiler Zum Übersetzungszeitpunkt der Anwendung Zur Laufzeit der Anwendung (c) Peter Sturm, Universität Trier 3

4 Programmiermodell 3D-Anwendung Spiel 3D-API DX oder OGL CPU-GPU Boundary GPU Frontend Primitive Assembly Rasterization & Interpolation Raster Operations Programmable Vertex Processor Programmable Fragment Processor Cg Language Profiles Gezielte Einschränkung von Cg auf spezifische Hardwareund Plattformeigenschaften Unterstützte Profile DirectX 9 Vertex- und Pixel-Shader (Versionen 2.x) OpenGL ARB Vertex- und Fragment-Programs OpenGL NV30 Vertex- und Fragment-Programs DirextX 8 OpenGL NV2X (c) Peter Sturm, Universität Trier 4

5 Ersetzen die Assemblerroutinen in DirectX Cg Programme Operieren auf in den Shadern definierten Ein- und Ausgaben Bindung an Programmvariablen geschieht über spezielle Syntax Innerhalb des Codes mehr oder weniger C Programmeingaben Variierende Eingaben Unterschiedliche Daten für jeden Aufruf des Vertex- oder Fragment-Programms Uniforme Eingaben Konstanten, Zusatzinformationen Gleichbleibend für jeden Vertex- oder Fragment-Aufrufs innerhalb eines Streams (c) Peter Sturm, Universität Trier 5

6 Variierende Eingaben für Vertex-Programm Vordefiniert (in Anlehnung an Fixed-Pipeline) Position im 3D-Raum (Vertex) Normalenvektor an diesem Punkt Texturkoordinaten Zusätzliche Werte pro Vertex definierbar Variierende Ausgaben für Vertex-Programm werden variierende Eingaben für Fragment-Programm Aus- und Eingabebeziehung wird ebenfalls über die Bindings hergestellt In allen Profilen definierte Bindings POSITION PSIZE FOG COLOR0, COLOR1 TEXCOORD0 TEXCOOR7 POSITION muß immer ausgegeben werden (c) Peter Sturm, Universität Trier 6

7 Variierende Ausgaben für Fragmente Zwingend COLOR: Bestimmt die endgültige Farbe DEPTH: Modifikation des Tiefenwerts Grundtypen float (32 Bit), half (16 Bit), int, fixed (12 Bit), bool Handles auf ein Texturobjekt Vektoren (1 bis 4 Elemente): z.b. float1 bis float4 Matrixen (maximal 4x4): float2x2, float3x2, float4x4 Structures Arrays Assignments kopieren ganzes Feld Cg: Datentypen (c) Peter Sturm, Universität Trier 7

8 Statements und Operatoren Kontrollfluß Unterprogramme, if/else, while, for Keine Rekursion Schleifen müssen in manchen Profilen aufrollbar sein (Anzahl der Durchläufe zum Übersetzungszeitpunkt bekannt) Unmenge an arithmetischen Operationen Trigonometrische Funktionen Runden, Abschneiden, etc. Multiplikationen auch auf Matrizen, Vektoren, Kreuzprodukt, Determinante, Abbildung auf Texturen Beispiel (c) Peter Sturm, Universität Trier 8

9 Beispiel: lit() Beispiel: Geometrische Funktionen (c) Peter Sturm, Universität Trier 9

10 3D-Engines Komfortabel nutzbare Funktions- bzw. Klassenbibliothek Hohe Abstraktionen Hohe Performanz Grundfunktionalität vergleichbar Unterschiede bei Features und Leistung Polygonanzahl Runde bzw. organische Formen Transparenzeffekte Realismus bei Wasser, Feuer, Rauch, etc. Lizenzkosten bei manchen Engines 10 5 Dollar und mehr Partikelsysteme Schöne Explosionen Wird auch von DirectX angesprochen Beispiel: DirectX-Demo Point Sprites Zusätzliche Eigenschaften Physik, Kinetik Schöne Beulen und Verwundungen der Androidenhaut Modellierung physikalischer und physischer Eigenschaften Skin- und Bone-Modelle Realismus (c) Peter Sturm, Universität Trier 10

11 3D Engine DirectX liefert Treffer WWW-Seite listet ca. 650 Engines (2001) Zugängliche Engines Schwieriger Zugang Viele Engines sind recht komplex Meist wird C++ API von DirectX verwendet (unschön) Interessante Beispiele Quake 2 Engine unter GPL Andere? Noch keine für C#? Wer hat Lust Grundlagen der Spieleprogrammierung Teil I: 3D-Graphik Kapitel 10: Spielekonsolen Peter Sturm Universität Trier (c) Peter Sturm, Universität Trier 11

12 Outline 1. Übersicht und Motivation 2. Mathematische Grundlagen 3. Das Ideal: Photorealistisch (Raytracing, Radiosity) 4. Die Realität: DirectX und OpenGL (Übersicht) 5. Schritt 1: Modellierung und Drahtgitter 6. Schritt 2: Texturen 7. Schritt 4: Licht, Filter, etc. 8. Schritt 5: Fortgeschrittene Techniken (Vertex-, Pixel-Shader, ) 9. 3D-Hardware 10.3D-Engines im Überblick, Cg von nvidia 11. Spielekonsolen 12.Zusammenfassung und Ausblick Motivation Eine gewisse Firma aus dem Westen der USA hat mich im Stich gelassen Xbox im Detail wäre bestimmt interessant gewesen Programmiermodell aus unerfindlichen Gründen DirectX sehr ähnlich Unterstützung durch Cg Interessant sind generell die Leistungsdaten der Spiele-Hardware (c) Peter Sturm, Universität Trier 12

13 Grundlagen der Spieleprogrammierung Teil I: 3D-Graphik Kapitel 11: Zusammenfassung und Ausblick Peter Sturm Universität Trier Outline 1. Übersicht und Motivation 2. Mathematische Grundlagen 3. Das Ideal: Photorealistisch (Raytracing, Radiosity) 4. Die Realität: DirectX und OpenGL (Übersicht) 5. Schritt 1: Modellierung und Drahtgitter 6. Schritt 2: Texturen 7. Schritt 4: Licht, Filter, etc. 8. Schritt 5: Fortgeschrittene Techniken (Vertex-, Pixel-Shader, ) 9. 3D-Hardware 10.3D-Engines im Überblick, Cg von nvidia 11. Spielekonsolen 12.Zusammenfassung und Ausblick (c) Peter Sturm, Universität Trier 13

14 Rückblick Photorealistische Darstellung immer noch um mehrere Größenordnungen zu aufwendig Arbeitsteilung zwischen CPU und GPU essentiell Rendering Pipeline Dreiecke sind die zentrale Abstraktion an der Schnittstelle Höhersetzen der Grenze innerhalb der Pipeline wird zunehmend schwieriger Vertex- und Pixel-Shader Unendlich viele Details konnten nicht behandelt werden Zeitproblem Unfähigkeit (daran werde ich noch arbeiten ) Was wird sich in den nächsten 5 Jahren ändern? Ausblick (c) Peter Sturm, Universität Trier 14